脱碳能源系统中的氢气

本报告由氢能委员会与Baringa Partners LLP合作撰写。报告的作者确认： 1.报告中没有任何建议和/或任何措施和/或轨迹可以解释为报告中提到的研究参与者之间的标准或任何其他形式的（建议的）协调，这将违反欧盟竞争法;和 2.他们无意采取任何这种形式的协调。虽然报告的内容及其对行业的抽象影响通常可以在准备好之后进行讨论，但各个策略仍然是专有的，保密的，并且每个参与者都有责任。请与会者注意，作为氢能理事会不变做法和欧盟竞争法义务的一部分，这些战略和机密信息不得共享或协调，包括作为本报告的一部分。 来自此报告的关键消息 除了使难以减弱的部门脱碳之外，氢还带来了系统的好处 评估的三个区域的关键信息 Introduction 报告的上下文 氢在电，气体和液体能量流之间建立了更强的联系，从而带来了均衡成本中未体现的收益 世界能源系统仍然以化石燃料为基础，要么直接燃烧，要么转化为电能。随着我们的能源系统脱碳以实现限制全球变暖的共同目标，这些燃料将越来越多地通过电气化被取代。然而,难以通电的部门将继续需要液体和气体燃料,并且这些燃料可以使用氢气来生产。 为了发挥这一作用，氢燃料必须是可持续的。这意味着氢将由太阳能、风能或核能通过电解水制成，或者由天然气使用碳捕获和封存基础设施制成。如果不用于直接提供灵活可靠的能源，氢将使用循环二氧化碳或氮处理成液体燃料。 氢的存在将通过提供电、气体和液体能量介质之间的桥梁而导致跨能量系统的更强链接。这些联系将使可再生能源发电充足的地区能够满足可再生能源较为有限的电力、供热、工业或运输部门的能源需求。然而，它们将对电力部门提供额外的需求，以服务于燃料的生产。 因此，氢提供的好处和挑战将取决于系统是能源的净出口国还是进口国，以及它已经通过现有的电力，气体和液体燃料网络连接到其他系统的程度。 以前的研究，包括我们的氢零报告，已经评估了氢作为低碳燃料的直接减排潜力。在本报告中，我们通过证明无论系统类型如何，引入氢基础设施都具有可量化的系统收益，这些收益超出了使用氢衍生燃料与下一个最佳替代燃料的“水平成本”价值。 我们通过考虑连接电力，气体和液体系统所产生的系统影响来做到这一点，特别是在为更广泛的能源系统提供灵活性，安全性和弹性方面。这些好处历来是由液态和气态燃料提供的，它们本质上比电力更灵活，更易于管理。 专注于三个对比系统 该报告通过分析三个不同的区域能源系统，提供了有关能源系统演变和氢的好处的见解 能源系统具有不同的基础和不同的脱碳起点，这影响了它们的首选途径。为了突出系统脱碳过程中的演变以及氢对系统的好处，我们评估了三个具有对比特征的区域系统。通过将每个地区的能源系统建模为一组具有自己的资源潜力，需求和价格的区域，我们表明每个系统都将以不同的方式发展，但每个系统都突出了氢带来的系统好处。 能源系统分析导论 能源系统的长期演变是在与我们以前报告中提出的氢需求和全球贸易愿景一致的情景下建模的 了解能源系统的好处需要能源系统模型，可以模拟整个系统的需求如何满足长期和短期的基础上。需要考虑数小时，数天，数周和数年的供需状况，以及现有基础设施的继续或退役的影响。我们采用了一个建模平台，该平台以今天的系统为起点，然后确定满足系统需求的最佳基础设施组合，然后模拟该系统如何在30多年的时间范围内满足每小时的需求。 本报告中的分析重点是“传输”级系统，目的是为州或多州级的基础设施决策提供信息。在选择正确的脱碳途径时，与最后一英里交付和在都会区基础设施实现能源转型相关的“分配”级别问题同样重要。它们提出了挑战，例如如何扩大零排放重型车辆加油规模，而液态和气态燃料可能比电气化更容易解决。与大多数公民基础设施规划模式一样，它们需要不同的，量身定制的系统分析，而不是评估整个地区或大国所需的系统分析。 系统演化的基本情况情景-我们的基本情况情景建立在我们之前的报告的基础上，该报告详细介绍了整体氢需求，氢贸易方向（全球氢流量）以及我们对年度氢价值链各要素成本的看法。 使用先前工作的参考方案作为起点，我们模拟了到2050年，氢，电力和气体组合系统将如何发展以满足预期的氢需求水平以及更广泛的系统中更广泛的能源需求和排放目标。我们假设系统在这一点上达到深度脱碳，并且通过供热和运输的电气化，电力需求都稳步增长，而天然气需求在2030年代达到峰值，然后下降到2050年。 对于中西欧，我们还测试了高油价情景，即来自俄罗斯的天然气不会返回，因此进入欧洲的价格反映出对美国和中东液化天然气的更高依赖，与发展中天然气需求的持续增长竞争市场。 能源系统将如何使用氢气进行脱碳 德克萨斯州将继续成为能源出口国，但更多的能源来自太阳能和风能 德克萨斯州拥有世界上最丰富的能源资源。除了丰富的石油和天然气，它还提供了一些美国S.成本最低的太阳能和风能以及适合封存碳的地质。这意味着德克萨斯州可以使用天然气及其可再生能源的氢气来减少排放。这将导致图表4中所示的能源系统内的六个关键发展。 首先，随着电力系统对火力发电的依赖减少以及运输和建筑物对电力的需求增加，从风能到需求中心的可再生输电能力将扩大。超过50吉瓦的电解槽可以使用可再生能源供电，并将通过天然气管道改造的16公吨氢气管道容量连接到需求和出口中心。 天然气需求最终将减少，但天然气管道基础设施仍将需要将超过3 bcf / d的天然气从生产领域转移到墨西哥湾沿岸的400多亿美元的低碳氢生产投资。 氢衍生液体燃料（煤油和氨）的生产设施可以占所有氢需求的近30％，并且可以取代墨西哥湾沿岸现有的炼油厂，因为对氢的需求增加，而全球对石油产品的需求下降，石油生产变得更加面向石化产品。 超过80亿美元的二氧化碳运输和储存网络投资可以使炼油带中的氢气生产和工业过程成为可能，并可能扩大到包括天然气的火力发电。 中西欧将发展为混合进口和国内生产的氢气和可再生能源 到2050年，中西欧（CWE）地区可能需要高达32.5公吨的氢气。它将发展可再生和低碳氢生产的混合，以及进口和国内生产的混合。正如我们在之前的全球氢流动报告中所表明的那样，氨和电子煤油等氢衍生液体燃料将主要从欧洲以外进口，可再生能源生产成本更低，进入鹿特丹、安特卫普和汉堡等主要港口，进口码头项目已经在开发中。 氢气将从欧洲氢能设想的四个走廊输送到该地区 到2050年，将需要骨干倡议和每天超过100 t的管道容量，以实现进口到该地区以及该地区内市场之间的氢气运输。这将支持跨境电力传输互连器提供的现有连接，并允许氢气生产更容易获得集中在德国的大规模盐穴储存潜力。 进口将通过国内生产低碳和可再生氢气来增加。到2030年，这将受到旨在启动可再生氢气生产的国内政策的推动。2030年以后，由于成熟的天然气基础设施和北海封存二氧化碳的能力，如果该地区优先考虑以最低成本提供氢气，并通过多样化的液化天然气进口确保天然气供应安全，那么低碳氢的份额可能会增加。 到2050年，进口可再生氢和国内低碳氢在国内供应中的份额可能相似。值得注意的是，鉴于进口需求占很大比例，2050年所需的国内产量不会大大超过该地区各国设定的2030年生产目标，在2040 - 2050年期间每年达到5 - 6公吨。相比之下，考虑到该地区消耗的氢的总体水平，运输和储存基础设施将大大超过目前正在进行的建设。 日本将需要新的进口基础设施来使用氢和氨提供脱碳能源 随着日本脱碳，它将在很大程度上用氢气和氨等衍生燃料取代进口的液化天然气和煤炭，同时开发风能和太阳能潜力。这将导致该系统发生三大变化。 首先，将在电力系统中逐步淘汰具有可再生能源的煤炭，然后逐步淘汰具有氢气和氨的天然气。现有的燃气发电能力将需要重新利用，以利用氢气和氨发电。 其次，更多的可再生能源将意味着更大的输电网，以促进将电力从可再生能源地区转移到中部地区。 最后，液化天然气进口基础设施将需要重新利用，以发展氨和氢进口基础设施。需要额外的占地面积来容纳地面上的液态氢存储终端。可能需要氢气管道，但其数量远远少于CWE和德克萨斯州等地区，因为电力和工业的消耗将集中在港口码头，就像今天的液化天然气一样。 氢在脱碳能源系统中的好处 每个系统在确保负担得起的，可靠的，低碳系统方面都面临挑战，氢气可以使 发达的能源系统是发达经济体的支柱，高度脱碳的系统需要表现出三个总体特征才能正常运行：应对供需常规波动所需的灵活性，应对更严重或极端冲击所需的弹性，以及确保经济竞争力的可负担性水平。 在每个支柱中，氢都有几种方法可以帮助解决更具体的系统挑战，例如抵御价格冲击，抵消可再生能源的间歇性，以及有效地将资源领域与需求领域联系起来。 氢的好处电解槽可以为电力系统提供需求侧灵活性的来源，前提是它们可以自由地有效响应市场价格信号，而不是通过监管规则与更广泛的系统隔离 氢可以由可再生能源和天然气生产，为对冲天然气或电力价格的冲击提供了机会 来自氢的氨可以在可再生资源低的地方提供主要的动力来源 挑战对不同的能源系统来说既普遍又独特 不同地区具有不同的能源系统特征，这决定了它们在脱碳中面临的挑战范围。每个系统都需要灵活应对需求的常规波动，同时还要具有应对极端冲击的能力。系统还需要仔细规范供需参与的方式，以确保公平的竞争环境，并避免因限制操作自由而导致的额外系统成本。除了这些挑战之外，我们的三个地区强调了不同系统面临的不同挑战。 中欧和西欧将需要适应高水平的国内可再生能源发电，以及从低成本供应地点获得进口能源的需要。德克萨斯州还需要适应可再生能源的高渗透率，因为电网与邻近市场隔离，因此需要更高水平的灵活性，CWE部分通过跨境互连器提供。相比之下，日本将需要以相对较低的经济上可行的可再生能源发展潜力进行脱碳，并且必须找到最大限度地利用其有限资源的方法，同时仍然提供足够的系统灵活性，安全性和弹性。 这些地区之所以成为典范，是因为它们包含了贯穿所有能源系统的挑战，并且这些挑战既适用于寻求可持续增长的新兴市场，也适用于旨在快速脱碳的发达市场。在这两种情况下，能源系统都需要在不使用化石燃料的情况下越来越多地确保灵活性，安全性和可负担性。 强调系统内氢气基础设施的挑战和好处 系统优势：可再生氢气生产为促进脱碳的电网提供了关键的灵活性来源 能源系统需要灵活性来应对供需的常规变化，否则价格会变得波动，寻租的机会更大，消费者因此支付更多。这在电力系统中尤其重要,因为电能比包含在液体和气体燃料中的化学能更难以存储。传统上，化石燃料发电提供了各种灵活性优势，包括短期电网平衡，应对每日需求高峰和低谷，以及需求的月度或季节性变化。随着化石燃料的逐步淘汰，这种灵活性需要来自其他地方，电解槽、电池、氢燃料发电机、抽水蓄能和需求响应都发挥着重要作用。 德克萨斯州拥有丰富的能源资源，美国大部分地区美国出口的石油和天然气在墨西哥湾沿岸流动，以及大量商业价值低的土地，适用于太阳能和风能。这使得德克萨斯州成为生产可再生和低碳氢的理想选择，并且增加了《通货膨胀减少法案》（IRA），提供了高达3美元/公斤的税收抵免，可再生和低碳氢都可以非常有竞争力地生产。这将极大地帮助德克萨斯州生产高达9公吨的氢，以满足我们全球氢流量研究中确定的出口潜力，并满足高达7公吨的国内需求。 然而，德克萨斯州的电力系统在很大程度上脱离了美国其他地区。S.，当需求在非常热或非常冷的天气达到峰值时，或者在太阳能和风能产量低的时期出现供应短缺时，这可能会导致消费者的价格非常高。电解槽可以通过提供灵活的需求来源来帮助稳定价格。如果德克萨斯州的电力系统在不需要满足电解槽的任何需求的情况下脱碳，这将意味着价格在几天内飙升至250美元/兆瓦时以上，并将导致几周内价格高于100美元/兆瓦时。但是，如果德克萨斯州生产16吨p。Procedres.然后价格将大大稳定，因为电解器被激励在价格高时转向下跌，而在价格低时转向上涨，从而使系统免受价格冲击。总体而言，我们估计这种灵活性将使能源系统脱碳的成本降低约。从现在到2050年，每年13亿美元（累计230亿美元